SE411051B - PROCEDURE FOR PREPARING A FOREMAL OF FIBER REINFORCED METAL MATERIAL - Google Patents

Description

'7804337-9 2 eller trådarna i önskat mönster på en ram eller liknande, varefter matrismaterialet har införts antingen i smält form eller i form av ett pulver. Det förra förfarandet ger ett tätt material, men vid an- vändning av högtemperaturlegeringar (exempelvis nickelbaserade lege- ringar) får man icke önskvärda reaktioner mellan fibrerna och matris- materialet, exempelvis rekristallisering av fibermaterialet, upplös- ning av fibermaterialet samt kemiska reaktioner mellan fibermaterialet och matrismaterialet. Om man använder matrismaterial i form av pulver krävs mycket noggrant reglerade förfaranden för kompaktering för att man skall få ett tätt material och för att undvika oxidering av pulvret Med detta förfarande är det dessutom svårt att få en hög an- del fibermaterial i det färdiga föremålet. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett förfarande som undanröjer ovan angivna nackdelar-och möjliggör fram- ställning av föremål med önskad form och med önskad andel fibermate- rial, varvid föremålen blir helt homogena, så att fibermaterialet helt omslutes av matrismaterial, varjämte fibermaterialet icke förstöres av mekaniska påkänningar eller rekristallisering vid genomförande av förfarandet. g Enligt uppfinningen åstadkommas detta genom att varje fiber eller fiberknippe införes i ett rör som är framställt av matrismate- rialet och har lämplig godstjocklek för att ge önskad delning mellan fibrerna eller fiberknippena, att rören placeras i ett hölje, som är avsett att ge föremålet önskad ytterkontur och företrädesvis är fram- ställt av matrismaterialet, samt att höljet med de i detta anordnade rören och fibrerna eller fiberknippena utsättes för varmisostatisk pressning med högt tryck och vid hög temperatur under tillräckligt lång tid för att materialet skall deformeras plastiskt till ett i hu- vudsak tätt material. '7804337-9 2 or the threads in the desired pattern on a frame or the like, after which the matrix material has been introduced either in molten form or in the form of a powder. The former process gives a dense material, but in use of high temperature alloys (for example nickel-based alloys undesirable reactions are obtained between the fibers and the matrix the material, for example recrystallization of the fibrous material, dissolving of the fibrous material and chemical reactions between the fibrous material and the matrix material. If you use matrix material in the form of powder very carefully regulated compaction procedures are required to one should get a dense material and to avoid oxidation of the powder In addition, with this procedure, it is difficult to obtain a high part fibrous material in the finished object. The object of the present invention is to provide one procedure which obviates the above-mentioned disadvantages and enables position of objects with the desired shape and with the desired proportion of fiber material rial, whereby the objects become completely homogeneous, so that the fibrous material completely surrounded by matrix material, and the fibrous material is not destroyed of mechanical stresses or recrystallization in the implementation of procedure. According to the invention, this is accomplished by each fiber or bundle of fibers is inserted into a tube made of matrix material. material and has a suitable wall thickness to give the desired division between the fibers or bundles of fibers, that the tubes be placed in a casing, which is intended to give the object the desired outer contour and is preferably set of the matrix material, and that the casing with those arranged therein the tubes and fibers or bundles of fibers are exposed to heat isostatic pressing with high pressure and at high temperature below sufficient long time for the material to be plastically deformed into a essentially dense material.

Uppfinningen beskrives närmare nedan med hänvisning till biv -fogade ritning på vilken fig. 1 visar ett längdsnitt genom ett cy- lindriskt föremål enligt uppfinningen före kompaktering av detsamma, fig. 2 visar ett tvärsnitt genom föremålet enligt fig. 1, fig. 3 visar ett längdsnitt genom ett annat föremål som är framställt medelst för- farandet enligt uppfinningen och fig. 4 visar ett tvärsnitt genom före- målet enligt fig. 3. a a Uppbyggnaden av ett föremål enligt föreliggande uppfinning framgår bäst av fig. l och 2, och såsom visas i dessa figurer är före- målet uppbyggt av ett stort antal rör l med liten diameter, vilka rör är framställda av det önskade matrismaterialet, exempelvis rostfritt '7804337-9 5 stål. I varje rör 1 är en fiber eller en tråd 2 införd, och denna fiber är framställd av det önskade förstärkningsmaterialet, vilket exempelvis kan utgöras av volfram eller en volframbaserad metallege- ring. Rörens 1 innerdiameter är lämpligen något större än fibrernas 2 diameter för att underlätta införandet av fibrerna i rören. För att ge önskad volymandel fibrer i det färdiga föremålet kan rörens godstjocklek varieras i önskad utsträckning. Rören l omslutes av ett större rör 3, vilket vid det visade föremålet är cylindriskt. Röret 3 kan emellertid ha annan form. Röret 3 införas därefter i ett hölje i form av ett rör 4, vilket kan vara framställt av ett mer oxidations- beständigt material än matrismaterialet. I åtminstone den ena änden förses detyttre röret 4 med en plugg 5 av titan, varefter det yttre röret 4 hopsvetsas i båda ändarna. Vid efterföljande uppvärmning rea- gerar titanpluggarna 5 med den inneslutna luftens kväve och syre för att avlägsna luften från det fria utrymmet i höljet. Föremålet är därefter färdigt för behandling genom varmisostatisk pressnnlg, varvid föremålet deformeras plastiskt, så att man får ett homogent och tätt material. ~ i I fig. 3 och 4 visas ett föremål med en tvärsnittsform som liknar profilen hos en turbinskovel. Detta föremål är uppbyggt på i princip samma sätt som föremålet enligt fig. l och 2, dvs. med ett an- tal fibrer eller fiberknippen 2 placerade i rör 1, varefter rören är anordnade i ett yttre hölje 4. Vid föremålet enligt fig. 5 och 4 har man emellertid dessutom mellan rören l på önskade ställen placerat stänger 6 av matrismaterialet. På detta sätt kan man variera fibertät- heten i det färdiga föremålet, så att man exempelvis i en turbinskovel kan få större fibertäthet i bakkanten, där påkänningarna är stora och kylningen svår att genomföra.The invention is described in more detail below with reference to biv attached drawing in which Fig. 1 shows a longitudinal section through a lindrical article according to the invention before compaction thereof, Fig. 2 shows a cross section through the object according to Fig. 1, Fig. 3 shows a longitudinal section through another object made by means of the method according to the invention and Fig. 4 shows a cross section through the present the target according to Fig. 3. a a The construction of an object according to the present invention is best seen in Figures 1 and 2, and as shown in these figures, the target made up of a large number of tubes 1 of small diameter, which tubes are made of the desired matrix material, for example stainless steel '7804337-9 5 steel. In each tube 1 a fiber or a wire 2 is inserted, and this fiber is made of the desired reinforcing material, which may be, for example, tungsten or a tungsten-based metal alloy ring. The inner diameter of the tubes 1 is suitably slightly larger than that of the fibers 2 diameter to facilitate the insertion of the fibers into the tubes. For to give the desired volume fraction of fibers in the finished object can be tubed material thickness is varied to the desired extent. The tubes l are enclosed by a larger tube 3, which in the object shown is cylindrical. The pipe 3 may, however, have a different form. The tube 3 is then inserted into a housing in the form of a tube 4, which may be made of a more oxidizing durable material than the matrix material. At least one end the outer tube 4 is provided with a plug 5 of titanium, after which the outer the tube 4 is welded together at both ends. Upon subsequent heating, the provides the titanium plugs 5 with the nitrogen and oxygen of the entrapped air to remove the air from the free space in the housing. The object is then ready for treatment by heat isostatic pressing, wherein the object is plastically deformed, so that a homogeneous and dense one is obtained material. ~ i Figures 3 and 4 show an object with a cross-sectional shape which similar to the profile of a turbine blade. This object is built on i basically the same way as the object according to Figs. 1 and 2, i.e. with an speech fibers or bundles of fibers 2 placed in tube 1, after which the tubes are arranged in an outer casing 4. In the object according to Figs. 5 and 4 have however, it is also placed between the pipes 1 in the desired places closes 6 of the matrix material. In this way one can vary the fiber density. the finished object, so that, for example, in a turbine blade can have greater fiber density in the trailing edge, where the stresses are large and the cooling is difficult to implement.

Exempel. vid ett exempel på genomförande av förfarandet enligt upp- finningen användes som matrismaterial rostfritt stål 18/8 typ 304.Example. in an example of the implementation of the procedure the find was used as a matrix material stainless steel 18/8 type 304.

Rören l av matrismaterialet hade därvid en innerdiameter av 0,4 mm och en godstjocklek av 0,15 mm. Som fibermaterial användes fibrer av volfram med ett innehåll av 2 viktprooent toriumdioxid och med en dia- meter av 0,3 mm samt en draghållfasthet av 2600 MN per me och en brott- töjning av 5%. Efter noggrann rengöring med ultraljud i koltetraklorid infördes fibrerna i rören, vilka därefter kapades till önskad längd.The tubes 1 of the matrix material then had an inner diameter of 0.4 mm and a wall thickness of 0.15 mm. As fiber material, fibers of tungsten containing 2% by weight of thorium dioxide and having a meters of 0.3 mm and a tensile strength of 2600 MN per me and a breaking elongation of 5%. After thorough cleaning with ultrasound in carbon tetrachloride the fibers were inserted into the tubes, which were then cut to the desired length.

Rören samlades därefter och infördes i höljet, varvid så många rör som möjligt infördes 1 höljet. Höljet hade en ytterdiameter av 6 mm och en innerdiameter av 4 mm. Därefter infördes det framställda ämnetThe tubes were then collected and inserted into the housing, leaving so many tubes as possible was introduced into the casing. The housing had an outer diameter of 6 mm and an inner diameter of 4 mm. Then the prepared substance was introduced

Claims (4)

7804337 -9 Ä i ett yttre hölje med en innerdiameter av 6, 2 mm och en ytterdiame- ter av 10,2 mm, varvid det yttre höljet användes för att ge önskad tvärsnittsyta. Debyttre höljet var tillslutet i den ena änden. Ämnet iinfördes i det yttre höljet med en liten titanplugg vid varje ände (se fig. 1). Det yttre höljet tätades därefter genom att den öppna änden igensvetsades. Den ena änden värmdes därefter så att titanplug- garna evakuerade syre och kväve från de fria utrymmena i höljet. Där- efter utsattes föremålet för varmisostatisk pressning under l timme vid 100000 och 170 MPa samt under 3 timmar vid ll80°C och 190 MPa. Efter den varmisostatiska pressningen hade föremålet en diameter som motsvarar full täthet hos materialet, och ett snitt genom föremålet bekräftade att materialet var helt tätt. Kärnan av kompositmaterial var både cirkulär och central, och fibrerna var jämnt fördelade. Ett längsgående snitt genom föremålet visade att fibrerna var hela och praktiskt taget parallella. Ett intermetallisktlager med en tjocklek av l24pm hade bildats mellan fibermaterialet och matrismaterialet. Detta lager hade jämn tjocklek och uppvisade inga sprickor. Minskning- en av fibrernas diameter motsvarade ungefär den mängd volfram som krävs för att bilda det intermetalliska lagret, varför mycket liten förstärk- ning har gått förlorad till följd av det intermetalliska lagret. Den övre gränsen för temperaturen vid den varmisostatiska pressningen bör väljas så att man har god marginal (ca l00°C) till den eutektiska fas med lägst smältpunkt som kan uppstå i den kombina- tion av fibermaterial och matrismaterial som användes. Samtidigt måste rekristallisering av fibrerna undvikas, och dessutom kan diffusions- processer i gränsområdet mellan fibrer och matrismaterial påverkas av tid och temperatur och ställa speciella krav. Den undre gränsen för temperaturen vid den varmisostatiska pressningen måste väljas tillräckligt hög för att man ett rimligt tryck och inom en rimlig tid får erforderlig plastisk deformation i matrismaterialet, så att man får ett tätt material. Vid den materialkombination som anges i ovanstående exempel kan man använda en temperatur av 1000-l250°C, ett tryck av 150-200 MPa och en tid av ca 3 timmar. Emellertid kan tiden avkdrtas avsevärt om tryck och temperatur optimeras. Patentkrav. l. Förfarande för framställning av ett föremål av fiberförstärkt metallmaterial, vid vilket förfarande ett flertal fibrer eller fiber- knippen av ett material med hög hållfasthet anordnas på avstånd från varandra och ett matrismaterial, företrädesvis en metall eller en me- tallegering, bringas att tätt omsluta varje fiber eller fiberknippe 7804337-9 5 och bibringas en form som motsvarar den önskade formen på föremålet, k ä n n e t e e k n a t a v att varje fiber eller fiberknippe in- föres 1 ett rör som är framställt av matrismaterialet och har lämplig godstjocklek för att ge önskad delning mellan fibrerna eller fiber- knippena, att rören placeras 1 ett hölje, som är avsett att ge före- målet önskad ytterkontur och företrädesvis är framställt av matrisma- terialet, samt att höljet med de i detta anordnade rören och fibrerna eller fiberknippena utsättes för varmsisotatisk pressning med högt tryck och vid hög temperatur under tillräckligt lång tid för att ma- terialet skal deformeras plastiskt till ett i huvudsak tätt material.7804337 -9 Ä in an outer casing with an inner diameter of 6, 2 mm and an outer diameter of 10.2 mm, the outer casing being used to give the desired cross-sectional area. The replacement housing was closed at one end. The blank was inserted into the outer casing with a small titanium plug at each end (see Fig. 1). The outer casing was then sealed by welding the open end back together. One end was then heated so that the titanium plugs evacuated oxygen and nitrogen from the free spaces in the housing. Thereafter, the article was subjected to hot isostatic pressing for 1 hour at 100,000 and 170 MPa and for 3 hours at 180 ° C and 190 MPa. After the hot isostatic pressing, the article had a diameter corresponding to the full density of the material, and an incision through the article confirmed that the material was completely dense. The core of composite material was both circular and central, and the fibers were evenly distributed. A longitudinal section through the object showed that the fibers were whole and practically parallel. An intermetallic layer having a thickness of 1224 pm had formed between the fibrous material and the matrix material. This layer had an even thickness and showed no cracks. The reduction in the diameter of the fibers corresponded approximately to the amount of tungsten required to form the intermetallic layer, so that very little reinforcement has been lost as a result of the intermetallic layer. The upper limit of the temperature during the hot isostatic pressing should be chosen so that there is a good margin (approx. 100 ° C) to the eutectic phase with the lowest melting point that can occur in the combination of fiber material and matrix material used. At the same time, recrystallization of the fibers must be avoided, and in addition, diffusion processes in the boundary area between fibers and matrix material can be affected by time and temperature and set special requirements. The lower limit of the temperature in the hot isostatic pressing must be chosen high enough to obtain a reasonable pressure and within a reasonable time the required plastic deformation in the matrix material, so that a dense material is obtained. In the material combination given in the above example, a temperature of 1000-150 ° C, a pressure of 150-200 MPa and a time of about 3 hours can be used. However, the time can be significantly reduced if pressure and temperature are optimized. Patent claims. A method of making an article of fibrous reinforced metal material, wherein a plurality of fibers or bundles of fibers of a high strength material are spaced apart and a matrix material, preferably a metal or a metal alloy, is caused to tightly enclose each fiber or fiber bundle and is imparted to a shape corresponding to the desired shape of the article, characterized in that each fiber or fiber bundle is inserted into a tube made of the matrix material and has a suitable wall thickness to give the desired division between the fibers. or the bundles of fibers, that the tubes are placed in a casing which is intended to give the object the desired outer contour and is preferably made of the matrix material, and that the casing with the tubes and fibers or fibrous bundles arranged therein is subjected to high temperature hot isotatic pressing. pressure and at high temperature for a sufficiently long time for the material to be deformed pla to a substantially dense material. 2. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e te c k n a t a v att höljet efter inplacering av rören tillslutes och luften av- lägsnas ur det fria utrymmet i “höljet för att underlätta den fort- satta behandlingen.2. A method according to claim 1, characterized in that the casing after placement of the pipes is closed and the air is removed from the free space in the casing to facilitate the further treatment. 3. Förfarande enligt patentkravet 2, k ä n n e te c k n a t a v att luften avlägsnas ur det fria utrymmet 1 höljet genom att åtminstone en plugg av titan inneslutes i höljet, vilket därefter tillslutes gastätt, varefter titanpluggen vid uppvärmning reagerar med luften, så att denna avlägsnas ur det fria utrymmet;3. A method according to claim 2, characterized in that the air is removed from the free space in the housing by enclosing at least one plug of titanium in the housing, which is then sealed gas-tight, after which the titanium plug reacts with the air when heated, so that it is removed from the free space; 4. Förfarande enligt något av patentkraven l-3, k ä n n e - t e c k n a t a v att stänger av matrismaterialet placeras på önska- de ställen mellan rören i höljet för att ge oförstärkta områden i det färdiga föremålet. ANFÖRDA PUBLIKATIONER:A method according to any one of claims 1-3, characterized in that rods of the matrix material are placed at desired locations between the tubes in the casing to provide unreinforced areas in the finished article. MENTIONED PUBLICATIONS: